《智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與裝備》課件-第05章 畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知技術(shù)

《智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與裝備》第五章畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知技術(shù)機電工程學院5.15.2概述畜禽養(yǎng)殖信息感知技術(shù)5.35.4水產(chǎn)信息感知技術(shù)應(yīng)用案例第五章畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知技術(shù)5.1概述5.1概述

畜禽養(yǎng)殖與水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在我國農(nóng)牧經(jīng)濟體占有重要的比例，是我國農(nóng)業(yè)對外創(chuàng)匯的重要農(nóng)產(chǎn)品之一，我國漁業(yè)已發(fā)展成中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟中重要的支柱產(chǎn)業(yè)。近20年間，全球的水產(chǎn)總產(chǎn)量一直保持低速持續(xù)增長，而中國的水產(chǎn)品產(chǎn)量一直保持著高速增長勢頭，從1990年至今中國的水產(chǎn)品總產(chǎn)量一直位居世界第一，目前約占世界出口產(chǎn)品產(chǎn)量的35%。我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)也一樣，國際肉類組織公布的數(shù)據(jù)顯示，中國畜禽類生產(chǎn)總量約占世界生產(chǎn)總量的29%，連續(xù)21年位居世界第一。其中豬肉占47%,羊肉占28%，產(chǎn)量位居世界第一。對我國農(nóng)副業(yè)經(jīng)濟發(fā)展與農(nóng)村經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了極其重要的作用。提問：你認為傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式有什么不足之處？5.1概述0102(1)依靠經(jīng)驗的養(yǎng)殖方式生產(chǎn)出的產(chǎn)品良莠不齊，產(chǎn)品質(zhì)量標準很難控制。在產(chǎn)品出口過程中經(jīng)常遭遇國外統(tǒng)一質(zhì)量標準體系的限制。03(2)傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式需要消耗大量的人力物力，在當前勞動力價格普遍上漲的今天,傳統(tǒng)的養(yǎng)殖業(yè)面臨成本急劇上升的壓力。(3)傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式以養(yǎng)殖人員經(jīng)驗判斷為主，缺乏科學診斷措施，對畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖的病害無法準確判斷，抗風險能力較差。湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學院歡迎你！感謝聆聽務(wù)本崇實修德精業(yè)第五章畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知技術(shù)5.2畜禽信息感知技術(shù)5.2.1畜禽養(yǎng)殖背景基本特征：資本密集型勞動集約化03高效益02高產(chǎn)出01高投入現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)通過先進傳感技術(shù)、多維信息感知技術(shù)、智能信息處理技術(shù)的應(yīng)用得以實現(xiàn)：通過先進傳感技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)畜禽運動軌跡監(jiān)測、動物生理信息反饋、養(yǎng)殖環(huán)境信息實時監(jiān)測；通過多維自組織信息傳輸技術(shù)的應(yīng)用搭建遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過智能信息處理技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)畜牧養(yǎng)殖中動物全生命周期的自主管理，如圖所示。5.2.1畜禽養(yǎng)殖背景湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學院歡迎你！感謝聆聽務(wù)本崇實修德精業(yè)第五章畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知技術(shù)5.2.2畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)信息感知技術(shù)架構(gòu)5.2.2畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)信息感知技術(shù)架構(gòu)

通過各種可遠程控制、智能化、自動化生產(chǎn)設(shè)備的使用，搭建了現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)基本技術(shù)架構(gòu)，它包括三個層次：感知層、傳輸層和應(yīng)用層，如圖所示。湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學院歡迎你！感謝聆聽務(wù)本崇實修德精業(yè)第五章畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知技術(shù)5.2.3主要應(yīng)用系統(tǒng)5.2.3主要應(yīng)用系統(tǒng)

智能畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)廣泛使用各種集成微型化、高可靠性、低功耗和低成本的傳感器技術(shù)，RFID無線電子標簽標識技術(shù)，WSN無線通信技術(shù)，3G無線遠程通信技術(shù)，智能云計算技術(shù)，發(fā)情自動監(jiān)測技術(shù)，繁育預測技術(shù)，營養(yǎng)模型動態(tài)檢測技術(shù)和設(shè)備的自動控制技術(shù)等，搭建出集成養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控、畜禽個體識別、個體信息智能感知、動物繁育信息獲取、數(shù)據(jù)釆集與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)智能傳輸（有線或無線）、數(shù)據(jù)的智能分析與處理,以及疾病診斷及預警、畜禽飼料精細投喂于一體的畜禽健康養(yǎng)殖智能系統(tǒng)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的全面應(yīng)用（顏波和石平，2014）。所有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，構(gòu)成了現(xiàn)代化畜禽養(yǎng)殖中各個主要應(yīng)用系統(tǒng)，從而組成畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。5.2.3主要應(yīng)用系統(tǒng)1.環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)通過各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成用實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖場地的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與控制，主要監(jiān)測信息有：空氣溫濕度、光照強度、空氣流通性等畜禽養(yǎng)殖熱環(huán)境,這些參數(shù)不僅可以單獨影響畜禽的體熱調(diào)節(jié)，也可以通過共同作用來綜合影響畜禽體熱調(diào)節(jié)；空氣中的CO2、NH3、CH4、H2S等有害氣體，這些有害氣體對畜禽的生長發(fā)育、環(huán)境的平衡、工人的工作效率和身體都會產(chǎn)生不良影響，通常，這些有害氣體是通過畜禽的糞便、墊草的腐敗分解、畜禽的呼吸及過量的飼料產(chǎn)生的。5.2.3主要應(yīng)用系統(tǒng)1.環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)信息采集模塊：自動檢測、發(fā)送和接收畜禽養(yǎng)殖場地中溫濕度、光照、CO2、H2S、氨氮等信號。智能調(diào)控模塊：完成對畜禽舍環(huán)境的遠程自動控制。管理平臺模塊：完成對信號數(shù)據(jù)的存儲、分析和管理，設(shè)置環(huán)境闕值，并作出智能分析與預警。5.2.3主要應(yīng)用系統(tǒng)2.生理信息采集系統(tǒng)

基于先進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建畜禽生理信息智能監(jiān)測及疾病預警系統(tǒng)，通過建立畜禽自身生長信息與生存環(huán)境信息遠程采集、圖像和視頻智能監(jiān)測及后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實時監(jiān)測畜禽的生長狀況并對疾病及時發(fā)現(xiàn)，通過系統(tǒng)模型和相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医o出預警信息和合理的診斷方案。疾病診斷系統(tǒng)主要包含疾病診斷數(shù)據(jù)庫、遠程專家診斷、疫情預警模型三個模塊。疾病診斷數(shù)據(jù)庫模塊，通過動物醫(yī)學經(jīng)驗推理結(jié)合后臺數(shù)據(jù)庫，完成對畜禽疾病的智能診斷：遠程專家診斷模塊，通過先進信息傳輸技術(shù)，實現(xiàn)畜禽疾病遠程會診和網(wǎng)上專家決策；疫情預警模型模塊，通過疫情預警數(shù)據(jù)庫，根據(jù)畜禽養(yǎng)殖場地的氣候情況與本地疫情災害等因素，協(xié)助完成畜禽疾病預警。5.2.3主要應(yīng)用系統(tǒng)

3.繁殖育種系統(tǒng)主要運用先進傳感技術(shù)、射頻識別（RFID）技術(shù)、繁殖預測數(shù)據(jù)庫技術(shù)，根據(jù)遺傳基因最優(yōu)原則，在音禽繁育過程中，利用現(xiàn)代監(jiān)測手段記錄母畜發(fā)情期、從而進行科學選配、優(yōu)化育種，提高畜禽生育效率，縮短出欄期，減少生育畜禽飼養(yǎng)投喂量，進而提髙生產(chǎn)資料利用率，合理節(jié)約飼料，降低畜禽養(yǎng)殖成本。4.糞便處理系統(tǒng)該系統(tǒng)包含信息釆集模塊、糞便收集模塊和空氣凈化模塊三個部分。信息釆集模塊,利用溫濕度傳感器、氨氣傳感器、硫化氫傳感器等完成對畜禽養(yǎng)殖場所的環(huán)境信息釆集;糞便收集模塊，定時自動或手動完成畜禽養(yǎng)殖過程中的糞便收集；空氣凈化模塊，當信息傳感模塊檢測到畜禽養(yǎng)殖場中甲烷、氨氣、硫化氫等有害氣體超標時，自動釆取通風換氣等措施。5.2.3主要應(yīng)用系統(tǒng)5.全生命周期質(zhì)量追溯系統(tǒng)

根據(jù)質(zhì)量監(jiān)管部門對畜禽健康養(yǎng)殖和肉品質(zhì)量的相關(guān)要求，構(gòu)建畜禽健康養(yǎng)殖全生命周期質(zhì)量追溯系統(tǒng)，從而實現(xiàn)畜禽個體信息的全程可追溯。如圖所示，畜禽個體將被佩戴上某種智能標簽，如電子耳標，耳標中植入一個可以遠程讀寫數(shù)據(jù)的電子芯片，這個芯片中可存儲畜禽父輩，甚至祖父輩的相關(guān)信息，還有畜禽個體各生長期的生理信息，包括生長過程中的每餐飲食量、病疫與診治記錄、接種疫苗信息、配種信息、母禽懷孕及生育記錄等信息，以及出欄后的屠宰、倉儲、運輸、銷售等環(huán)節(jié)信息。該質(zhì)量追溯系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)畜禽從出生到零售全生命周期信息的正向跟蹤，同時也可以實現(xiàn)肉品零售終端到養(yǎng)殖信息的逆向溯源。5.2.3主要應(yīng)用系統(tǒng)6.精細飼喂系統(tǒng)

基于畜禽生理特點的自動投料系統(tǒng)。該系統(tǒng)由護欄、傳感器、自動投料機構(gòu)、料槽、飼料稱重機構(gòu)、控制模塊幾部分組成。傳感器感知畜禽進入飼喂站后，控制模塊根據(jù)畜禽個體生長階段、體重、活動量及上一階段采食量確定飼料投放量，飼料稱重機構(gòu)實時記錄料槽中的飼料量，當飼料量低于某預設(shè)值時，則添加飼料，直到畜禽離開。傳感器、自動投料機構(gòu)、飼料稱重機構(gòu)都由控制模塊控制，控制模塊與上位計算機進行通信，每次投料閾值、剩料閾值都可自行設(shè)定。當系統(tǒng)監(jiān)測到某一畜禽的采食量不正常時，系統(tǒng)會自動報警。湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學院歡迎你！感謝聆聽務(wù)本崇實修德精業(yè)第五章畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知技術(shù)5.3

水產(chǎn)信息感知技術(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是我國農(nóng)牧經(jīng)濟體中重要組成部分。73%水產(chǎn)量達全世界出口產(chǎn)品產(chǎn)量35%5.3.1水產(chǎn)養(yǎng)殖背景5.3.1水產(chǎn)養(yǎng)殖背景生產(chǎn)設(shè)施粗糙，經(jīng)濟基礎(chǔ)薄弱養(yǎng)殖水域環(huán)境條件不斷惡化養(yǎng)殖水域的二次污染十分嚴重水產(chǎn)資源遭到了嚴重損壞，水域生態(tài)失衡傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式的不利因素03040201養(yǎng)魚先養(yǎng)水，好水養(yǎng)好魚湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學院歡迎你！感謝聆聽務(wù)本崇實修德精業(yè)第五章畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知技術(shù)5.3.2水產(chǎn)信息感知系統(tǒng)5.3.2水產(chǎn)信息感知系統(tǒng)水產(chǎn)信息感知系統(tǒng)由智能水質(zhì)傳感器、無線傳感網(wǎng)、增氧控制器和監(jiān)控平臺組成。湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學院歡迎你！感謝聆聽務(wù)本崇實修德精業(yè)第五章畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知技術(shù)5.3.3水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)感知技術(shù)5.3.3水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)感知技術(shù)

水體濁度與水中含有的懸浮物（如浮游生物、泥土、微細有機物、無機物、等）、膠體物相關(guān)，水質(zhì)檢測中定義一個標準濁度單位為1L水中含有1mgSiO2所構(gòu)成的濁度，簡稱1度。濁度是光線與溶液中的膠體物和懸浮顆粒相互作用的結(jié)果，是一種光學效應(yīng)，它體現(xiàn)的是光線在水中傳播時受到阻礙的程度。濁度并不能直接測量，它描述的是液體里的膠體物和懸浮固體，因此，濁度是通過溶液的透射光或散射光的量來間接測量的。溶液的濁度越大，則透射光強度越小、散射光強度越大。濁度值是溶液中所有物質(zhì)共同作用的結(jié)果，通過標準化的分析手段，濁度測量可以作為一種定量分析應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測。1.濁度5.3.3水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)感知技術(shù)

濁度是反映水體物理性狀的重要指標，可體現(xiàn)水的清澈或渾濁程度。濁度與水體中微生物指標有著明顯的關(guān)聯(lián)。濁度高的水體會促進細菌的生長繁殖，因為顆粒的表面可以吸附營養(yǎng)物質(zhì)，因而使附著的細菌較游離的細菌生長繁殖更快。由于濁度能夠降低消毒劑對微生物的影響，削弱對微生物的治理效果，從而增加水體需氯量與需氧量。濁度計作為水體濁度的測蛍設(shè)備，根據(jù)測量原理分為透射光式、散射光式和透射?散射光式等。其原理如下：當光線照射到水體中上，入射光的強度、透射光的強度和散射光的強度相互之間的比值與水體的濁度存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過測定三種光線的強度來實現(xiàn)水體的濁度的測量。光學式濁度計有用于實驗室的，也有用于現(xiàn)場進行自動連續(xù)測定的。1.濁度5.3.3水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)感知技術(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，水溫是非常重要的水體參數(shù)。魚類作為變溫動物，其體溫與周圍水溫的差異在0.5?1.7C,幼魚的體溫甚至是水溫相同的。魚類的體溫的波動和新陳代謝強度的變化，直接影響著魚類的進食量和生長狀況。不同魚類有著各自不同的溫度適應(yīng)范圍。當溫度升高時，魚類新陳代謝過程加快，進食量增加，生長也隨之加快。但另外一方面，水體中的溶氧量隨著水溫升高而大幅降低，水溫上升乂加快了魚類呼吸速率,耗氧量增高。加上池塘中其他耗氧生物的共同作用，水體中就很容易產(chǎn)生缺氧現(xiàn)象，對魚類產(chǎn)生不利影響。另外，水溫對池塘中氨敏等毒素的毒性、好氧性腐生菌的生長繁殖速率、多種疾病的發(fā)病率等都有相當大的聯(lián)系。因此，水溫是水產(chǎn)養(yǎng)殖活動中的重要感知參數(shù)。水溫傳感器原理與基于電化學原理的環(huán)境溫度傳感器相似，同樣通過熱電阻或熱電偶等熱敏材料構(gòu)成溫度感應(yīng)器。2.水溫5.3.3水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)感知技術(shù)溶解氧是水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的生命要素。氧氣是所有好氧生物生長繁殖的必要條件。由于空氣中氧氣的含量約為21%,含量穩(wěn)定保持在較高水平，因此陸地上生物基本不存在氧氣不足的情況；而水體中的溶解氧(dissolvedoxygen,DO)含量較少而容易受各種因素的影響而變化。一般情況下淡水中飽和溶氧量只相當于空氣中氧氣含量的1/20,海水中更少，因而溶氧量是限制魚類生長繁殖的重要因素，也成為水產(chǎn)養(yǎng)殖中人們最為關(guān)注的水質(zhì)因子之一。3.溶解氧1）溶解氧在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的作用溶解氧促進好氧性微生物生長繁殖，從而加快有機物降解。減少有毒、有害物質(zhì)的作用。抑制有害的厭氧微生物的活動。增強免疫力。2）水體溶解氣檢測機制

碘量法、電化學探頭法和熒光熄滅法

5.3.3水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)感知技術(shù)湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學院歡迎你！感謝聆聽務(wù)本崇實修德精業(yè)第五章畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知技術(shù)5.3.4pH（酸堿度）1）PH在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中的作用水體中微生物的生長繁殖也會受到pH變化的影響。pH過酸或過堿，都會對水體生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。在pH較低的水體中，磷酸鹽受到影響而溶解，微生物活動受到抑制，整個水體中生物的新陳代謝變慢。水體超過堿性闕值時，將影響微生物的活性及其對有機物的降解，從而減緩了水體中物質(zhì)的循環(huán)吸收和利用。養(yǎng)殖水體pH還影響水體的溶解氧、腐殖質(zhì)的分解等。

因此及時檢測發(fā)現(xiàn)水體pH的異常尤為重要。。2）PH檢測方法試紙法、酸堿滴定法、電位測量法是幾種常用的pH測量方法。5.3.4pH（酸堿度）湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學院歡迎你！感謝聆聽務(wù)本崇實修德精業(yè)第五章畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知技術(shù)5.3.5水體鹽度1）鹽度在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的作用鹽度主要影響?zhàn)B殖動物生長發(fā)育、鰓部氯細胞、血漿中電解質(zhì)和琥珀酸脫氫酶的線粒體等方面。2）鹽度檢測機制

采用密度、導電率測量法。威尼爾鹽度傳感器就是釆用這種測量方法。在待測水體中，電流隨著離子的移動產(chǎn)生流動，威尼爾鹽度傳感器測量兩個電極在插入溶液時兩極之間的通電能力。因此，待測水體中的離子濃度升高時導電率數(shù)值也會隨之升高。由此可見，鹽度傳感器測量數(shù)據(jù)信號實際為電導，即為電阻的倒數(shù)。國際標準單位制中，電導的單位是西門子(siemens),通常水體測試中以微西門子(microsiemens)或μS單位測量。5.3.5水體鹽度5.3.5水體鹽度2）鹽度檢測機制鹽度傳感器電極間釆用的是交流電，這樣可以防止溶液中離子完全遷移到兩個電極中。如圖所示，交流電的每個周期，電極的極性被扭轉(zhuǎn)，這樣離子流動的方向也隨之反過來。這種設(shè)計防止了電解和極化等可能降低傳感器精度的現(xiàn)象在兩極發(fā)生。因此，鹽度傳感器不僅沒有破壞正在測量的水體試樣，也大大地減少電極氧化還原產(chǎn)品的形成。

湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學院歡迎你！感謝聆聽務(wù)本崇實修德精業(yè)第五章畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知技術(shù)5.3.6氨氮檢測氨氮濃度對水產(chǎn)影響氨氮是現(xiàn)代漁業(yè)養(yǎng)殖中需要格外重視的水質(zhì)指標。氨氮對水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要影響根源在于非離子狀態(tài)氨(NH3-N)的毒性。NH3-N能夠影響?zhàn)B殖魚蝦的生長繁殖、新陳代謝活動和滲透壓的平衡等，并對水體環(huán)境造成破壞。氨氮檢測機制氨氮傳感器使用的是離子選擇電極技術(shù)來測量污水水樣中的銨離子。如圖所示，離子選擇電極具有一種特殊的膜，只有特定類型的離子才可以吸附在該膜上。檢測時膜表面上由于離子的吸附形成電勢。想要測得吸附電勢差，需要在傳感器中加入?yún)⒈入姌O。測量過程中由于溫度和鉀離子的影響產(chǎn)生偏差，通過內(nèi)置的傳感器芯片進行誤差的糾偏。參比也極釆用差分pH技術(shù)，不會影響檢測，也不會受待測水體的影響，因此非常穩(wěn)定，沒有漂移。5.3.6氨氮檢測湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學院歡迎你！感謝聆聽務(wù)本崇實修德精業(yè)第五章畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖信息感知技術(shù)5.3.7亞硝酸鹽1）亞硝酸鹽對水質(zhì)影響

亞硝酸鹽是影響水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)好壞的重要理化指標，亞硝酸鹽含量升高，不僅說明養(yǎng)殖水體中溶氧量不足，水體受污染嚴重，同時也是魚類疾病的前兆。當養(yǎng)殖水體中亞硝酸鹽濃度超過0.1mg/L,將對水體中魚蝦等產(chǎn)生危害?！稘O業(yè)水質(zhì)標準》中規(guī)定養(yǎng)殖水質(zhì)亞硝酸鹽的含量應(yīng)控制在0.20mg/L以下。2）亞硝酸鹽檢測機制亞硝酸鹽傳感器的工作電極（金電極）與養(yǎng)殖水體相接觸，參比電極（銀-氯化銀電極）封裝在電解液腔內(nèi)，參比電極通過離子隔膜與外界溶液完成電荷交換。溶液中的NO-2直接在工作電極表面被氧化形成電流，溶液中NO2-；含量與形成的電流大小成正比。5.3.7亞硝酸鹽湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學院歡迎你！感謝聆聽務(wù)本崇實修德